TW201414589A - 機械關節與應用其之機械手臂 - Google Patents

Abstract

一種機械關節，應用於機械手臂中，機械關節包含中空軸、第一齒輪、多個馬達、多個第二齒輪、編碼器以及數位處理驅動單元。第一齒輪固定於中空軸。馬達圍繞中空軸設置，每一馬達分別具有一轉軸。第二齒輪固定於轉軸並與第一齒輪囓合，馬達驅動第二齒輪以使中空軸轉動。編碼器設置於馬達其中一者相對於第二齒輪之一側。編碼器之訊號回傳至數位處理驅動單元，以驅動馬達。一種應用此機械關節之機械手臂亦在此揭露。

Description

機械關節與應用其之機械手臂

本發明是有關於一種機械關節，尤其係應用於機械手臂中之機械關節。

機械手臂（robot arm）是具有模仿人類手臂功能並可完成各種作業的自動控制設備，這種機器人系統有多關節連結並且允許在平面或三度空間進行運動或使用線性位移移動。構造上由機械主體、控制器、伺服機構和感應器所組成，並由程式根據作業需求設定一定的指定動作。例如可以藉由伺服機構驅動移動機械手臂至定位，接著執行夾鉗的動作，並精確的回饋至可程式邏輯的控制器。
機械手臂多是以完成腕部以及手部的動作為主要訴求，經由將作業順序輸入控制器後，就能反覆完成無數次的的正確規律運作。自從機器手臂技術開始發展之後，可以說是應用範圍最廣泛的自動化機械裝置，而許多工業上之組裝、搬運、噴漆、焊接等繁重工作，皆能以機器手臂取代人工作業，大幅地提升了作業效率以及人工成本。
多軸式機械手臂由於配線結構複雜，且因應輕量化需求，故需要中空式的機械關節設計。現有的中空式機械關節設計多是以環狀結構組合而成。又因各個機械手臂尺寸不同，導致元件難以共用成本便無法降低。

因此本發明的目的就是在提供一種中空式的機械關節，用以配合不同尺寸的機械手臂需求，並可有效節省配置空間。
依照本發明一實施方式，提出一種機械關節，應用於機械手臂中，機械關節包含中空軸、第一齒輪、多個馬達、多個第二齒輪、編碼器以及數位處理驅動單元。第一齒輪固定於中空軸。馬達圍繞中空軸設置，每一馬達分別具有一轉軸。第二齒輪固定於轉軸並與第一齒輪囓合，以藉由馬達驅動第二齒輪以使中空軸轉動。編碼器設置於馬達其中一者且相對於第二齒輪之一側。編碼器之訊號回傳至數位處理驅動單元以驅動馬達。其中編碼器與數位處理驅動單元位於同一平面。
於本發明之一或多個實施例中，馬達可同時一齊正向出力輸出或一齊負向出力輸出。
於本發明之一或多個實施例中，機械關節更包含第一驅動元件與第二驅動元件，馬達包含複數個正向出力輸出馬達與複數個負向出力輸出馬達，第一驅動元件連接數位處理驅動單元與正向出力輸出馬達，第二驅動元件連接數位處理驅動單元與負向出力輸出馬達。
於本發明之一或多個實施例中，數位處理驅動單元包含用以提供轉速命令之轉速命令元件、用以將轉速命令轉換為第一轉矩命令與一第二轉矩命令之轉換元件、第一轉矩命令元件與第二轉矩命令元件。第一轉矩命令元件用以接收第一轉矩命令並將第一轉矩命令轉換為第一驅動命令傳送至第一驅動元件，以控制正向出力輸出馬達。第二轉矩命令元件用以接收第二轉矩命令並將第二轉矩命令轉換為第二驅動命令傳送至第二驅動元件，以控制負向出力輸出馬達。
於本發明之一或多個實施例中，第一轉矩命令與第二轉矩命令為正向時，第一驅動命令為第一轉矩命令加上一保持力定值後除以二，第二驅動命令為負的保持力定值除以二。
於本發明之一或多個實施例中，第一轉矩命令與第二轉矩命令為負向時，第二驅動命令為第二轉矩命令加上一保持力定值後除以二，第一驅動命令為負的保持力定值除以二。
於本發明之一或多個實施例中，正向出力輸出馬達與負向出力輸出馬達共用一直流電源上之電容，正向出力輸出馬達與負向出力輸出馬達包含對中空軸作正功之複數個正功馬達，以及對中空軸做負功之複數個負功馬達，負功馬達所反餽之能量係儲存於直流電源上之電容中以供予正功馬達使用。
於本發明之一或多個實施例中，其中馬達具有固定關係的電氣角。
本發明之另一實施方式為一種機械手臂，包含第一機械關節、功能性結構、第二機械關節以及連接結構。第一機械關節設置於底部，第一機械關節包含第一中空軸、第一齒輪、多個第一馬達、多個第二齒輪、第一編碼器與第一數位處理驅動單元。第一齒輪固定於第一中空軸。第一馬達圍繞第一中空軸設置，其中第一馬達具有固定關係的電氣角，每一第一馬達分別具有一轉軸。第二齒輪固定於轉軸並與第一齒輪囓合，以藉由第一馬達驅動第二齒輪以使第一中空軸轉動。第一編碼器設置於第一馬達其中一者且相對於第二齒輪之一側，第一編碼器之訊號回傳至第一數位處理驅動單元以驅動第一馬達。第一編碼器與第一數位處理驅動單元位於同一平面。第二機械關節連接功能性結構。第二機械關節包含第二中空軸、第三齒輪、多個第二馬達、多個第四齒輪、第二編碼器與第二數位處理驅動單元。第三齒輪固定於第二中空軸。第二馬達圍繞第二中空軸設置，其中第二馬達具有固定關係的電氣角，每一第二馬達分別具有一轉軸。第四齒輪固定於轉軸並與第三齒輪囓合，以藉由第二馬達驅動第四齒輪以使第二中空軸轉動。第二編碼器設置於第二馬達其中一者相對於第四齒輪之一側，第二編碼器之訊號回傳至第二數位處理驅動單元以驅動第二馬達。第二編碼器與第二數位處理驅動單元位於同一平面。連接結構連接第一機械關節與第二機械關節，其中第一馬達之數量大於第二馬達之數量。
於本發明之一或多個實施例中，第一齒輪的齒數大於第二齒輪的齒數，第三齒輪的齒數大於第四齒輪的齒數。
機械關節中使用多個馬達配合齒輪以驅動中空軸轉動，可以有效提升中空軸之輸出扭力，並降低減速的幅度。當機械關節從高速運轉到停止時，馬達又可分為正向出力輸出馬達與負向出力輸出馬達，用以減少機械關節從高速運轉到停止時背隙的影響。使用者更可依照不同的需求，調整馬達的數量，即可改變機械關節之中空軸的扭力與轉速。編碼器與數位處理驅動單元位於同一平面上，可有效節省機械關節的空間配置。

以下將以圖式及詳細說明清楚說明本發明之精神，任何所屬技術領域中具有通常知識者在瞭解本發明之較佳實施例後，當可由本發明所教示之技術，加以改變及修飾，其並不脫離本發明之精神與範圍。
參照第1圖，其繪示本發明之機械關節一實施例的透視圖。機械關節100包含一殼體110、一中空軸120、一第一齒輪130、複數個馬達140以及複數個第二齒輪150。殼體110包含有用以容置中空軸120之一第一空穴112與用以容置馬達140之多個第二空穴114，第二空穴114為圍繞第一空穴112設置。第一空穴112與第二空穴114之截面形狀為圓形，第一空穴112之截面積大於第二空穴114之截面積。中空軸120係設置於第一空穴112中，且第一齒輪130固定於中空軸120上。
於本較佳實施例中，中空軸120兩端更分別與機械手臂之上臂101與下臂102連接，以藉由中空軸120之轉動使得上臂101相對於下臂102移動。機械手臂之線材可以通過中空軸120，但本發明不限於此種上下臂連接方式。
複數個馬達140圍繞中空軸120設置，該些馬達140係一對一地容置於第二空穴114之中。更具體地說，馬達140包含有定子142以及轉子144，定子142固定設置於第二空穴114之中。機械關節100更包含有具有軸承160的端蓋162，端蓋162套設於殼體110，藉由端蓋162上的軸承160定位馬達140的轉子144，使轉子144能被定位並於定子142中轉動。
第一齒輪130為固定於中空軸120上，以與中空軸120連動。第一齒輪130與中空軸120係可為一體成形。該些第二齒輪150係分別固定於該些馬達140之轉子144的轉軸146上，如此一來，該些第二齒輪150便分別與該些轉子144連動。第一齒輪130的齒數大於第二齒輪150的齒數。第一齒輪130更與該些第二齒輪150囓合，該些馬達140轉動以帶動與其相連之第二齒輪150，而第二齒輪150帶動與其囓合的第一齒輪130，使得第一齒輪130隨著第二齒輪150轉動，進而帶動與第一齒輪130連接之中空軸120轉動。
換言之，機械關節100透過第一齒輪130與第二齒輪150的設計，可以藉由馬達140驅動中空軸120轉動，於一較佳實施例中，依據馬達轉速以及齒輪比設計，第二齒輪150的轉速為齒輪130的轉速乘以兩者齒輪比的倍數。
於本較佳實施例中，機械關節100更包含有一編碼器170，編碼器170設置於該些馬達140之其中一者，如馬達140a的下方，即馬達140a相對於第二齒輪150的一側。當在組裝各個馬達140(包含馬達140a)於殼體110中時，可以預先定位各個馬達140中之轉子144的角度，使得該些馬達140之間具有固定關係的電氣角。如此一來，透過單一一個編碼器170所偵測到之馬達140a的轉速與當前角度，便可以換算出其他馬達140的轉速與轉子當前角度。
機械關節100更包含一數位處理驅動單元180，數位處理驅動單元180設置於殼體110中。為了節省整體厚度，數位處理驅動單元180較佳地為與編碼器170位於同一高度，舉例而言，數位處理驅動單元180可以具有中空結構或是C型，用以避開編碼器170的設置位置。
編碼器170所偵測到的訊號係回傳至數位處理驅動單元180中。由於該些馬達140之間已經預先定位具有相同的電氣角，故數位處理驅動單元180可以依據單一編碼器170所提供的角度信號來分別產生驅動序號，進一步控制所有的馬達140。更甚者，若是數位處理驅動單元180搭配多個驅動元件，則可以使得該些馬達140以兩組以上的模式進行轉動。
機械關節100利用多個馬達140驅動中空軸120，可以有效在提升扭力的同時而不過分降低轉速。舉例而言，傳統中馬達140為一對一地驅動中空軸120，若是齒輪比為50，扭力雖然提升為原來的50倍，但是轉速也變為原來的1/50。而本實施例中當四個馬達140同時作正向出力驅動中空軸120時，齒輪比為10，即可以將扭力提升為原來的40倍，轉速僅降低為原來的1/10。
機械關節100多應用在機械手臂中，以執行如組裝、搬運、噴漆、焊接等工作，因此，機械手臂常會需要在高速行進至接近一預定位置後急速停止。機械關節100中之馬達140的運轉模式可以經由設計，以減少從高速行進至停止時齒輪背隙(backlash)的產生。藉由減少背隙的產生，可以有效提升使用機械關節100之機械手臂定位的精確度。關於如何減少機械關節100之背隙，以下將以實施例具體說明之。
在以下實施方式中，上述實施方式已經提過的機械關節的細節將不再贅述，僅針對與馬達運轉模式相關的部分進行說明，合先敘明。
參照第2圖，其繪示本發明之機械關節另一實施例的電路示意圖。機械關節100中包含有數位處理驅動單元180、第一驅動元件182a、第二驅動元件182b，以及四個馬達140a、140b、140c、140d。其中第一驅動元件182a連接數位處理驅動單元180及並聯的馬達140a、140c，第二驅動元件182b連接數位處理驅動單元180及並聯的馬達140b、140d。於本較佳實施例中，馬達140a、140b、140c、140d係為三相馬達。
編碼器170係安裝於馬達140a之下方，用以偵測馬達140a之轉速與轉子位置。編碼器170所偵測到的訊號係回傳至數位處理驅動單元180，使得數位處理驅動單元180可以根據編碼器170所提供的馬達140a的轉速與轉子位置，驅動與其具有相同或是相應電氣角的其他馬達140b、140c、140d。數位處理驅動單元180所發出的驅動訊號係分別傳送至第一驅動元件182a與第二驅動元件182b，再經由第一驅動元件182a與第二驅動元件182b分別控制馬達140a、140c以及馬達140b、140d之輸出，使得馬達140a、140c以及馬達140b、140d可以執行相同或是不同的運轉模式。
舉例而言，若是數位處理驅動單元180之輸出命令為Tcmd，分發至正向出力輸出馬達140a、140c之命令為Tma、Tmc，分發至負向出力輸出馬達140b、140d之命令為Tmb、Tmd。
當Tcmd>0(正向)時，
Tma=Tmc=(Tcmd+To)/2；
Tmb=Tmd=-To/2；
當Tcmd<0(負向)時，
Tma=Tmc=- To/2；
Tmb=Tmd= (Tcmd+To)/2，其中To為一保持力定值。
當因應轉速命令而得的轉矩命令，若為正向，那麼正向出力馬達將被要求轉矩命令加上保持力定值，而負向出力馬達則被要求一負向的保持力定值。這保持力定值用以使第二齒輪150夾住第一齒輪130。
參照第3圖，其繪示本發明之機械關節再一實施例的電路示意圖。數位處理驅動單元180中包含有轉速命令元件181、轉換元件183、第一轉矩命令元件185a與第二轉矩命令元件185b。轉速命令元件181可以接收馬達140a的當前轉速，以提供一轉速命令Tspd。此轉速命令Tspd被傳送至轉換元件183，轉換元件183將轉速命令Tspd轉換為第一轉矩命令T1與第二轉矩命令T2。第一轉矩命令元件185a接收到第一轉矩命令T1後，將第一轉矩命令T1轉換為第一驅動訊號而傳送至第一驅動元件182a，使得第一驅動元件182a根據第一驅動訊號驅動馬達140a、140c。第二轉矩命令元件185b接收到第二轉矩命令T2後，將第二轉矩命令T2轉換為第二驅動訊號而傳送至第二驅動元件182b，使得第二驅動元件182b根據第二驅動訊號驅動馬達140b、140d。第一驅動訊號與第二驅動訊號可以相同或是不同。
請同時參照第2圖與第4圖，其中第4圖為繪示第2圖中之機械關節100的上視圖。機械關節100中包含有四個馬達140a、140b、140c、140d，其中馬達140a、140b、140c、140d為依序按照順時針排列於中空軸120外圍。馬達140a、140b、140c、140d上分別連接有第二齒輪150，以與中空軸120上的第一齒輪130囓合，以藉由馬達140a、140b、140c、140d的轉動驅動中空軸120旋轉。
當機械關節100進行高速移動時，所有的馬達140a、140b、140c、140d均進行正向出力或負向出力輸出。而當機械關節100進行減速時，為了減少背隙的產生，馬達140a、140b、140c、140d可以被分為正向出力輸出馬達以及負向出力輸出馬達兩組，於本較佳實施例中，其中馬達140a、140c為正向出力輸出馬達，馬達140b、140d為負向出力輸出馬達，數位處理驅動單元180藉由兩驅動元件182a、182b分別驅動正向出力輸出馬達140a、140c以及負向出力馬達140b、140d。如此一來，與馬達140a、140b、140c、140d連動的第二齒輪150也會呈現兩組不同的出力方向，藉由兩組不同出力方向的第二齒輪150夾住第一齒輪130，便可降低背隙的影響。
另外，請同時參照第5圖，其為本發明之機械關節中驅動電路的示意圖。交流電源進入整流器184後被轉換為直流電源使用，因為正向出力輸出馬達140a、140c與負向出力輸出馬達140b、140d之間會共用直流電源上之電容186(DC-bus電容)。因此，正向出力輸出馬達140a、140c與負向出力輸出馬達140b、140d可藉由該直流電源上之電容186進行能量補償。具體來說，正向出力輸出馬達140a、140c與負向出力輸出馬達140b、140d可以根據中空軸120的轉動狀態，又被區分為對中空軸120作正功之正功馬達，以及對中空軸120做負功之負功馬達，其中負功馬達所反餽之能量儲存於直流電源上之電容186中以供予正功馬達使用。
須注意的是，此處所指之正功馬達與負功馬達不一定直接對應於正向出力輸出馬達140a、140c與負向出力輸出馬達140b、140d，需根據正向出力輸出馬達140a、140c、負向出力輸出馬達140b、140d與中空軸120之間的轉動關係決定。舉例來說，若是中空軸120順時針等速或加速轉動，則正向出力輸出馬達140a、140c為正功馬達，負向出力輸出馬達140b、140d為負功馬達；若是中空軸120逆時針等速或加速轉動，則正向出力輸出馬達140a、140c為負功馬達，負向出力輸出馬達140b、140d為正功馬達；若是中空軸120順時針減速轉向逆時針轉動，則轉向過程中，正向出力輸出馬達140a、140c為負功馬達，負向出力輸出馬達140b、140d為正功馬達；若是中空軸120逆時針減速轉向順時針轉動，則轉向過程中，正向出力輸出馬達140a、140c為正功馬達，負向出力輸出馬達140b、140d為負功馬達。
須注意的是，雖然本實施例中的正向出力馬達140a、140c與負向出力馬達140b、140d為間隔排列，但是正向出力馬達140a、140c與負向出力馬達140b、140d可以任意排列，只要正向出力馬達與負向出力馬達的數量相同即可。
同時參照第3圖與第4圖，當第一驅動元件182a與第二動元件182b分別驅動正向出力馬達140a、140c與負向出力馬達140b、140d時，若是第一轉矩命令與第二轉矩命令為正向時，第一驅動命令為第一轉矩命令加上保持力定值後除以二，第二驅動命令為負的保持力定值除以二。若是第一轉矩命令與第二轉矩命令為負向時，第二驅動命令為第二轉矩命令加上保持力定值後除以二，第一驅動命令為負的保持力定值除以二。
參照第6A圖與第6B圖，其分別繪示本發明之機械關節中馬達排列不同實施例的上視圖。第6A圖中，正向出力馬達140e的數量與負向出力馬達140f之數量相同，均為三個。其中正向出力馬達140e位於中空軸120的同一側，而負向出力馬達140f位於中空軸120的另一側。第6B圖中，正向出力馬達140e的數量與負向出力馬達140f之數量相同，均為四個。正向出力馬達140e與負向出力馬達140f為圍繞中空軸120隨意地設置。
參照第7圖，其繪示應用本發明之機械關節的機械手臂一實施例的外觀示意圖。機械手臂200中至少包含有第一機械關節210、第二機械關節250及連接結構280。連接結構280用以連接第一機械關節210與第二機械關節250。此機械手臂200為安裝於底座上，其末端可以連接有功能性結構290，如夾爪或是焊槍等。其中第一機械關節210為設置於機械手臂200的底部，第二機械關節250則是連接功能性結構290。第一機械關節210是位於底部，因此需要提供較大的扭力，而第二機械關節250由於靠近端部，因此需要有較小的尺寸。為了滿足不同設置位置的需求，第一機械關節210與第二機械關節250較佳地可以具有不同的規格。
參照第8A圖與第8B圖，其中第8A圖為第7圖中第一機械關節210的剖面示意圖，第8B圖為第7圖中第二機械關節250的剖面示意圖。
第8A圖中，設置於底部的第一機械關節210包含有一第一中空軸220、一第一齒輪222、多個第一馬達230、多個第二齒輪232、一第一編碼器234以及一第一數位處理驅動單元236。其中第一齒輪222固定於第一中空軸220。第一馬達230圍繞著第一中空軸220設置。第一馬達230均具有固定關係的電氣角，每一個第一馬達230包含有一轉軸233。第一齒輪222的齒數大於第二齒輪232的齒數。第二齒輪232固定於馬達之轉軸233上，並與第一齒輪222囓合，以藉由第一馬達230驅動第一中空軸220轉動。第一編碼器234設置於其中一個第一馬達230相對於第二齒輪232的一側。第一數位處理驅動單元236位於第一馬達230相對於第二齒輪232的一側，第一編碼器234偵測之訊號回傳至第一數位處理驅動單元236中。
第8B圖中，設置於端部的第二機械關節250包含有一第二中空軸260、一第三齒輪262、多個第二馬達270、多個第四齒輪272、一第二編碼器274以及一第二數位處理驅動單元276。其中第三齒輪262固定於第二中空軸260。第二馬達270圍繞著第二中空軸260設置。第二馬達270均具有固定關係的電氣角，每一個第二馬達270包含有一轉軸273。第三齒輪262的齒數大於第四齒輪272的齒數。第四齒輪272固定於轉軸273上，並與第三齒輪262囓合，以藉由第二馬達270驅動第二中空軸260轉動。第二編碼器274設置於其中一個第二馬達270相對於第四齒輪272的一側。第二數位處理驅動單元276位於第二馬達270相對於第四齒輪272的一側，第二編碼器274之訊號回傳至第二數位處理驅動單元276中。
如前所述，位於底部的第一機械關節210與位於端部的第二機械關節250分別具有不同的需求。位於底部的第一機械關節210需要有較大的扭力，並容許具有較大的尺寸，因此，第一機械關節210中可設置有較多的第一馬達230。如此一來，隨著齒輪比的加大，其扭力亦隨之提升，滿足底部之第一機械關節210低轉速、高扭力的需求。
相對地，位於端部的第二機械關節250則是需要輕量化，小尺寸的特性，因此，第二機械關節250中所配置的第二馬達270的數量較少，即第一馬達230之數量大於第二馬達270之數量。由於第二機械關節250中擺放的第二馬達270的數量較少，自然地，第二機械關節250便具有輕量化、低扭力的特性，恰好符合機械手臂的設計需求。
第一馬達230與第二馬達270可以為尺寸相同的馬達，以實現元件標準化進而節省成本的目的，並可便於組裝或是拆裝。第一馬達230或第二馬達270圍繞第一中空軸220或是第二中空軸260設置，形成馬達圓形陣列。使用者可以依照實際需求調整馬達圓形陣列中的馬達數量，即可達到調整轉速以及扭力輸出的作用。
由上述本發明較佳實施例可知，應用本發明具有下列優點。機械關節中使用多個馬達配合齒輪以驅動中空軸轉動，可以有效提升中空軸之輸出扭力，並降低減速的幅度。當機械關節從高速運轉到停止時，馬達又可分為正向出力輸出馬達與負向出力輸出馬達，用以減少機械關節從高速運轉到停止時背隙的影響。使用者更可依照機械關節位置不同的需求，利用調整馬達的數量，改變機械關節之中空軸的扭力與轉速。另外，編碼器與數位處理驅動單元位於同一平面上，亦可有效節省機械關節的空間配置。
雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．機械關節

101．．．上臂

102．．．下臂

110．．．殼體

186．．．直流電源上之電容

200．．．機械手臂

210．．．第一機械關節

220．．．第一中空軸

112．．．第一空穴

114．．．第二空穴

120．．．中空軸

130．．．第一齒輪

140、140a、140b、140c、140d、140e、140f．．．馬達

142．．．定子

144．．．轉子

146．．．轉軸

150．．．第二齒輪

160．．．軸承

162．．．端蓋

170．．．編碼器

180．．．數位處理驅動單元

182a、182b．．．驅動元件

184．．．整流器

222．．．第一齒輪

230．．．第一馬達

232．．．第二齒輪

233．．．轉軸

234．．．第一編碼器

236．．．第一數位處理驅動單元

250．．．第二機械關節

260．．．第二中空軸

262．．．第三齒輪

270．．．第二馬達

272．．．第四齒輪

273．．．轉軸

274．．．第二編碼器

276．．．第二數位處理驅動單元

280．．．連接結構

290．．．功能性結構

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下：

第1圖繪示本發明之機械關節一實施例的透視圖。
第2圖繪示本發明之機械關節另一實施例的電路示意圖。
第3圖繪示本發明之機械關節再一實施例的電路示意圖。
第4圖繪示第2圖中之機械關節的上視圖。
第5圖為本發明之機械關節中驅動電路的示意圖。
第6A圖與第6B圖分別繪示本發明之機械關節中馬達排列不同實施例的上視圖。
第7圖繪示應用本發明之機械關節的機械手臂一實施例的外觀示意圖。
第8A圖為第7圖中第一機械關節的剖面示意圖。
第8B圖為第7圖中第二機械關節的剖面示意圖。

100．．．機械關節

101．．．上臂

102．．．下臂

110．．．殼體

112．．．第一空穴

114．．．第二空穴

120．．．中空軸

130．．．第一齒輪

140、140a．．．馬達

142．．．定子

144．．．轉子

146．．．轉軸

150．．．第二齒輪

160．．．軸承

162．．．端蓋

170．．．編碼器

180．．．數位處理驅動單元

Claims (10)

1. 一種機械關節，應用於一機械手臂中，該機械關節包含：
   一中空軸；
   一第一齒輪，固定於該中空軸；
   複數個馬達，圍繞該中空軸設置，每一該些馬達分別具有一轉軸；
   複數個第二齒輪，分別固定於該些轉軸並與該第一齒輪囓合，該些馬達係驅動該些第二齒輪以使該中空軸轉動；
   一編碼器，設置於該些馬達其中一者且相對於該些第二齒輪之一側；以及
   一數位處理驅動單元，該編碼器之訊號係回傳至該數位處理驅動單元，並根據該訊號驅動該些馬達，其中該數位處理驅動單元與該編碼器位於同一平面。
2. 如申請專利範圍第1項所述之機械關節，該些馬達係可同時一齊正向出力輸出或一齊負向出力輸出。
3. 如申請專利範圍第1項所述之機械關節，更包含一第一驅動元件與一第二驅動元件，該些馬達包含複數個正向出力輸出馬達與複數個負向出力輸出馬達，該第一驅動元件連接該數位處理驅動單元與該些正向出力輸出馬達，該第二驅動元件連接該數位處理驅動單元與該些負向出力輸出馬達。
4. 如申請專利範圍第3項所述之機械關節，該數位處理驅動單元包含：
   一轉速命令元件，用以提供一轉速命令；
   一轉換元件，用以將該轉速命令轉換為第一轉矩命令與一第二轉矩命令；
   一第一轉矩命令元件，用以接收該第一轉矩命令並將該第一轉矩命令轉換為第一驅動命令傳送至該第一驅動元件，以控制該些正向出力輸出馬達；以及
   一第二轉矩命令元件，用以接收該第二轉矩命令並將該第二轉矩命令轉換為第二驅動命令傳送至該第二驅動元件，以控制該些負向出力輸出馬達。
5. 如申請專利範圍第4項所述之機械關節，其中該第一轉矩命令與該第二轉矩命令為正向時，該第一驅動命令為該第一轉矩命令加上一保持力定值後除以二，該第二驅動命令為負的該保持力定值除以二。
6. 如申請專利範圍第4項所述之機械關節，其中該第一轉矩命令與該第二轉矩命令為負向時，該第二驅動命令為該第二轉矩命令加上一保持力定值後除以二，該第一驅動命令為負的該保持力定值除以二。
7. 如申請專利範圍第4項所述之機械關節，其中該些正向出力輸出馬達與該些負向出力輸出馬達共用一直流電源上之電容，該些正向出力輸出馬達與該些負向出力輸出馬達包含對該中空軸作正功之複數個正功馬達，以及對該中空軸做負功之複數個負功馬達，該些負功馬達所反餽之能量係儲存於該直流電源上之電容中以供予該些正功馬達使用。
8. 如申請專利範圍第1項所述之機械關節，其中該些馬達具有固定關係的電氣角。
9. 一種機械手臂，包含：
   一第一機械關節，設置於一底部，包含：
   一第一中空軸；
   一第一齒輪，固定於該第一中空軸；
   複數個第一馬達，圍繞該第一中空軸設置，其中該些第一馬達具有固定關係的電氣角，每一該些第一馬達分別具有一轉軸；
   複數個第二齒輪，分別固定於該些轉軸並與該第一齒輪囓合，該些第一馬達驅動該些第二齒輪以使該第一中空軸轉動；
   一第一編碼器，設置於該些第一馬達其中一者且相對於該些第二齒輪之一側；以及
   一第一數位處理驅動單元，該第一編碼器之訊號係回傳至該第一數位處理驅動單元，並根據該訊號驅動該些第一馬達，其中該第一數位處理驅動單元與該第一編碼器位於同一平面；
   一功能性結構；
   一第二機械關節，連接該功能性結構，包含：
   一第二中空軸；
   一第三齒輪，固定於該第二中空軸；
   複數個第二馬達，圍繞該第二中空軸設置，其中該些第二馬達具有固定關係的電氣角，每一該些第二馬達分別具有一轉軸；
   複數個第四齒輪，分別固定於該些轉軸並與該第三齒輪囓合，該些第二馬達係驅動該些第四齒輪以使該第二中空軸轉動；
   一第二編碼器，設置於該些第二馬達其中一者且相對於該些第四齒輪之一側；以及
   一第二數位處理驅動單元，該第二編碼器之訊號係回傳至該第二數位處理驅動單元，並根據該訊號驅動該些第二馬達，其中該第二數位處理驅動單元與該第二編碼器位於同一平面；以及
   一連接結構，連接該第一機械關節與該第二機械關節，其中該些第一馬達之數量大於該些第二馬達之數量。
10. 如申請專利範圍第9項所述之機械手臂，其中該第一齒輪的齒數大於該些第二齒輪的齒數，該第三齒輪的齒數大於該些第四齒輪的齒數。